DE2937463A1 - GASKET FOR TURBINE ENGINE COVER - Google Patents
GASKET FOR TURBINE ENGINE COVERInfo
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Description
Dichtung für TurbinentriebwerksmantelSeal for turbine engine casing
Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere
auf Triebwerke mit einem Mantel, der die Spitzen der
Rotorschaufeln in dem Turbinenabschnitt des Triebwerkes umgibt. In einem derartigen Gasturbinentriebwerk werden Druckluft und
Treibstoff in einer Brennkammer verbrannt, um den hindurchströmenden Gasen thermische Energie zuzuführen. Das aus der Kammer
austretende Arbeitsmittel sind Gase hoher Temperatur, die stromabwärts in einer ringförmigen Strömungsbahn durch den Turbinenabschnitt
des Triebwerkes strömen. Führungsschaufeln am Eingang der Turbine richten die Gase auf eine Vielzahl von Schaufeln,
die von dem Triebwerksrotor radial nach außen ragen. Ein
von dem Triebwerksgehäuse getragener ringförmiger Mantel umgibt die Spitzen der Rotorschaufeln, um die zur Strömungsbahn hindurchströmenden
Gase einzuschließen. Der Spielraum zwischen den Schaufelspitzen und dem Mantel wird möglichst klein gemacht, um
eine Leckage der Gase um die Schaufelspitzen herum zu verhindern.The invention relates to gas turbine engines and, more particularly, to engines having a jacket that surrounds the tips of the
Surrounding rotor blades in the turbine section of the engine. In such a gas turbine engine, compressed air and
Fuel burned in a combustion chamber to add thermal energy to the gases flowing through it. That from the chamber
Exiting working fluids are gases of high temperature that flow downstream in an annular flow path through the turbine section of the engine. Guide vanes at the entrance to the turbine direct the gases at a plurality of vanes that protrude radially outward from the engine rotor. A
an annular jacket carried by the engine casing surrounds the tips of the rotor blades to contain the gases flowing therethrough to the flow path. The clearance between the blade tips and the jacket is made as small as possible in order to prevent the gases from leaking around the blade tips.
Ein begrenzender Faktor in vielen Triebwerkskonstruktionen ist
die maximale Temperatur der Gase,, die in der Turbine zugelassen werden kann, ohne daß die Lebensdauer der einzelnen Komponenten
nachteilig eingeschränkt wird. Die Mäntel, die die Spitzen der
Rotorschaufeln umgeben, sind besonders empfindlich für thermische Beschädigungen. Wegen der engen Spielräume zwischen den
Spitzen der Rotorschaufeln und den bogenförmigen Segmenten, die den Mantel bilden, und wegen der verschiedenen Beanspruchungen,
denen die Triebwerkskomponenten ausgesetzt sind, tritt zusätzlich leicht ein Schleifen der Schaufelspitzen an der Dichtfläche des
Mantelsegmentes auf. Somit muß das Mantelmaterial schleiffreundlich
sein, so daß es die Schaufelspitzen nicht beschädigt und
nicht übermäßig abgeschliffen wird durch irgendeinen begrenzten
Kontakt. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges Mantelmaterial für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen.A limiting factor in many engine designs is
the maximum temperature of the gases which can be permitted in the turbine without the service life of the individual components being adversely affected. The coats that are the tops of the
Surrounding rotor blades are particularly sensitive to thermal damage. Because of the tight margins between the
In addition, because of the various stresses to which the engine components are exposed, the blade tips easily rub against the sealing surface of the shell segment. Thus, the jacket material must be easy to grind so that it does not damage the blade tips and
not excessively abraded by any limited contact. The aim of the present invention is to provide such a jacket material for a gas turbine engine.
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Es wurde nun gefunden, daß eine Dichtfläche für eine Verwendung in einem Gasturbinentriebwerksmantelj der für Flugzeugtriebwerke und ähnliches verwendet werden kann, mit sowohl exzellenten Hochtemperatur- als auch Schleifeigenschaften hergestellt werden kann. Die den Schaufeln-spitzen gegenüberliegende Dichtfläche des Mantels ist aus einer amphoteren hochwarmfesten Oxidmatrix, einem Phosphatbinder und wahlweise einem Stabilisierer, Verstärkungs- und/oder Porositäts-Steuermittel gebildet.It has now been found that a sealing surface for use in a gas turbine engine casing for aircraft engines and the like can be made with both excellent high temperature and abrasive properties can. The sealing surface opposite the blade tips the jacket is made of an amphoteric, highly heat-resistant oxide matrix, a phosphate binder and optionally a stabilizer, reinforcement and / or porosity control agent.
Das Phosphat, das zum Verbinden der Mantelmatrixmaterialien gemäß der Erfindung geeignet ist, sollte bei den verwendeten Triebwerkstemperaturen oder bei Temperaturen oberhalb etwa 135O°C stabil sein. Beispiele geeigneter Phosphate sind Aluminiumphosphat (AlPO^) und Zirkonpyrophosphat (Zr„P„0 ). Es können auch Mischungen von Phosphaten verwendet werden und desgleichen Phosphorsäure (H,PO^), da sie ein stabiles Phosphat während der Reaktion bildet.The phosphate suitable for bonding the jacket matrix materials according to the invention should be at the engine temperatures used or be stable at temperatures above about 135O ° C. Examples of suitable phosphates are aluminum phosphate (AlPO ^) and zirconium pyrophosphate (Zr "P" 0). It can Mixtures of phosphates can also be used, and likewise phosphoric acid (H, PO ^), since it is a stable phosphate during the reaction forms.
Amphotere hochwarmfeste Oxide, die als Matrixmaterialien verwendet werden können, sind solche, die bei den erforderlichen hohen Temperaturen stabil sind, und vorzugsweise haben sie einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich demjenigen des aus einer Superlegierung bestehenden metallischen Mantelblockes und desgleichen eine geringe thermische Leitfähigkeit, um weniger Kühlung zu erfordern. Weiterhin sind sie vorzugsweise stabil in sowohl oxidierenden als auch reduzierenden Umgebungen. Beispiele geeigneter Materialien sind Aluminiumoxid (Al„0 ), Ceroxid (CeO2) , Thoriumoxid (ThO ), stabilisiertes Hafniumoxid (HfOp) und stabilisiertes Zirkoniumoxid (ZrO?). Stabilisiertes Zirkoniumoxid ist bevorzugt, da sein thermischer Ausdehnungskoeffizient am nächsten liegt zu den derzeitig verwendeten Hochtemperatur-Flugzeugmetallen, und es hat eine geringe thermische Leitfähigkeit, so daß es weniger Kühlung erfordert als andere Materialien. Das Verhältnis des amphoteren Oxids zum Bindemittel kann.in den Bereich von etwa 8:1 zu 2:1 liegen.Amphoteric refractory oxides that can be used as matrix materials are those that are stable at the required high temperatures, and preferably they have a coefficient of thermal expansion similar to that of the superalloy metallic cladding block and also low thermal conductivity to provide less cooling require. Furthermore, they are preferably stable in both oxidizing and reducing environments. Examples of suitable materials are aluminum oxide (Al 0), cerium oxide (CeO 2 ), thorium oxide (ThO), stabilized hafnium oxide (HfOp) and stabilized zirconium oxide (ZrO ? ). Stabilized zirconia is preferred because its coefficient of thermal expansion is closest to the high temperature aircraft metals currently used and it has low thermal conductivity so that it requires less cooling than other materials. The ratio of the amphoteric oxide to the binder can be in the range of about 8: 1 to 2: 1.
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Verwendbare Stabilisierer sind solche, die bei den verwendeten Triebwerkstemperaturen oder bei Temperaturen oberhalb etwa 1350oC stabil sind und die eine monokline in tetragonale Transformation in Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid verhindern. Derartige Stabilisierer umfassen Yttriumoxid (Y„0 ) Magnesiumoxid (MgO) und Kalziumoxid (CaO) oder ein Seltenes Erdoxid. Typische Seltene Erdoxide sind: Erbiumoxid, Europiumoxid, Scandiuraoxid und Ytterbiumoxid. Ytterbiumoxid ist bevorzugt insbesondere in Verbindung mit Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid. Die verwendete Menge an Stabilisierer hängt von dem jeweiligen Stabilisierer, dem Matrixmaterial und anderen Variablen ab, aber im allgemeinen wird eine Menge von 4 bis 50 Gew.-% des Matrixmaterials ausreichend sein. Zu den Feststoff-Füllmitteln für eine Steuerung der Verstärkung oder Porosität des Materials gehören eine Vielfalt von Materialien, die vorzugsweise enthalten, aber nicht immer erforderlich sind. Beispielsweise werden Materialien wie Graphit bei den hohen, in Turbinentriebwerken auftretenden Temperaturen verbrannt, aber sie sind nützlich bei der Steuerung der Porosität und der anschließenden Härte des verbundenen amphoteren hochwarmfesten Oxids. Andere Materialien wie Sägestaub oder Kunststoffüller dienen dem gleichen Zweck. Verstärkungsmaterialien, die nicht bei den auftretenden, erhöhten Temperaturen ausbrennen, umfassen Siliziumcarbidfasern (Whiskers), die zur Verbesserung der Bruchhärte und des thermischen Schockwiderstandes der Zusammensetzung dienen. Andere verwendbare Materialien sind faserartige hochwarmfeste Oxide, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid. Verstärkungsmaterialien, wie beispielsweise Siliziumcarbidfasern haben vorzugsweise eine Länge zwischen etwa 3 bis 10 mm, eine Dicke von etwa 0,04 bis 0,1 mm und eine Breite von 0,1 bis 0,5 mm.Stabilizers that can be used are those which are stable at the engine temperatures used or at temperatures above about 1350 ° C. and which prevent a monoclinic into tetragonal transformation in zirconium oxide or hafnium oxide. Such stabilizers include yttrium oxide (Y "0) magnesium oxide (MgO) and calcium oxide (CaO) or a rare earth oxide. Typical rare earth oxides are: erbium oxide, europium oxide, scandiura oxide and ytterbium oxide. Ytterbium oxide is preferred especially in connection with zirconium oxide or hafnium oxide. The amount of stabilizer used will depend on the particular stabilizer, the matrix material and other variables, but in general a lot of 4 to 50 wt -.% Of the matrix material be sufficient. Solid fillers for controlling the reinforcement or porosity of the material include a variety of materials, which are preferably included but not always required. For example, materials such as graphite are burned at the high temperatures encountered in turbine engines, but they are useful in controlling the porosity and subsequent hardness of the associated amphoteric refractory oxide. Other materials like sawdust or plastic filler serve the same purpose. Reinforcing materials that do not burn out at the elevated temperatures that occur include silicon carbide fibers (whiskers), which serve to improve the fracture toughness and thermal shock resistance of the composition. Other materials that can be used are fibrous high-temperature oxides such as aluminum oxide or zirconium oxide. Reinforcing materials, such as silicon carbide fibers, preferably have a length between about 3 to 10 mm, a thickness of about 0.04 to 0.1 mm and a width of 0.1 to 0.5 mm.
Die Teilchengrößen für die aus amphoteren hochwarmfesten Oxid bestehenden Matrixmaterialien reichen vorzugsweise etwa vom Submikronbereich bis zu 40 Mikron (Mikromillimeter), um für eine vollständigere Reaktion zu sorgen, obwohl auch größere Teilchen bis zu 100 Mikron als Füllstoffe verwendet werden können.The particle sizes for the amphoteric high temperature resistant oxide matrix materials preferably range from about Submicron range down to 40 microns (micromillimeters) in order for a more complete reaction, although larger particles up to 100 microns can be used as fillers.
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Die Materialien werden dadurch hergestellt, daß das amphotere hochwarmfeste Oxid, das Phosphat enthaltende Material und eine Menge an Peststoff-Füllmaterial zwischen etwa 0 und etwa 2'j Gew.-? gemischt werden, die für die gewünschten Porositäts- und Schleifeigenschaften sorgen, und es wird genügend destilliertes Wasser zugesetzt, um eine gießbare Paste zu bilden, die gegossen werden kann. Die Paste wird zwischen etwa 4 und etwa 48 Stunden bei einer relativ niedrigen Temperatur zwischen etwa 80 und etwa 120 C erwärmt bis sie getrocknet ist, um die Paste einzustellen, und dann wird sie bei einer Zwischentemperatur zwischen etwa 12O1" und etwa l60°C für etwa 1 bis 24 Stunden gehärtet, um den größten Teil des freien Wassers zu entfernen, und dann wird sie abschließend gehärtet bei einer erhöhten Temperatur zwischen etwa 500 und IQQQ0C für etwa 1 bis 2M Stunden, um das gesamte chemisch gebundene Wasser zu entfernen, so daß der Zement nicht wieder gelöst werden kann,,The materials are made by adding the amphoteric high refractory oxide, the phosphate-containing material, and an amount of pesticide filler material between about 0 and about 2 % by weight. that provide the desired porosity and abrasive properties, and enough distilled water is added to form a pourable paste that can be poured. The paste is heated between about 4 and about 48 hours at a relatively low temperature of between about 80 and about 120 C until it is dried to the paste to set, and then it is at an intermediate temperature between about 12O 1 "and about l60 ° C cured for about 1 to 24 hours to remove most of the free water, and then it is finally cured at an elevated temperature between about 500 and IQQQ 0 C for about 1 to 2M hours to remove all of the chemically bound water so that the cement cannot be loosened again,
Unter Verwendung üblicher Gießformen und Materialien kann das entstandene Material gegossen und in einem üblichen metallischen Mantelblock zementiert werden, um eine Dichtfläche und ein schleiffreundliches Mantelmaterial zu bilden.Using common molds and materials, this can be done The resulting material can be poured and cemented in a conventional metallic mantle block to form a sealing surface and to form a sheath material that is easy to grind.
Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsbeispiele. Alle Teile und Prozentangaben in den Beispielen und an anderen Stellen in der Beschreibung und den Ansprüchen sind Gew.-?, wenn nichts anderes gesagt ist.The following examples serve to explain the invention in more detail and preferred embodiments. All parts and percentages in the examples and elsewhere in the Description and claims are by weight? Unless otherwise stated.
In einen aus Kunststoff bestehenden Tiegel wurden 20 g Zirkonium oxid mit einer Größe der Teilchen, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,045 mm {-325 mesh) hindurchfielen, stabilisiert mit 12 % Yp0^ {Zireonium Corporation of America), 5 g Zirkoniumoxid mit einer Submikron-Teilchengröße {Zircar Products Inc.) und 3,75 g von ^-SiC-Whiskers gegeben. Die Materialien wurden intensiv gemischt, um eine nahezu homogene trockene Mischung zu bilden. Dieser Mischung wurden 8 g vonIn a crucible made of plastic, 20 g of zirconium oxide with the size of the particles that fell through a sieve with a mesh size of 0.045 mm {-325 mesh), stabilized with 12 % Yp 0 ^ {Zireonium Corporation of America), 5 g zirconia with a submicron particle size {Zircar Products Inc.) and 3.75 g of ^ SiC whiskers added. The materials were mixed intensively to form a nearly homogeneous dry mix. This mixture was 8 g of
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85 ?iger H PO^ und bis zu 2 g destilliertes Wasser zugesetzt, um eine gießbare Paste zu bilden, die in eine Gießform mit den Abmessungen 4,91 x 2,45 x 0,58 cm gegossen werden kann. Die Paste wurde bei 100°C für 4 Stunden in einem elektrischen Muffelofen erhitzt, bis die Paste eingestellt war, um frei-stehend zu werden. Sie wurde weiter erhitzt bei 1500C für zusätzliche zwei Stunden bis sie trocken war und weiter gehärtet bei 600°C für 4 Stunden. Das Material hatte eine Oberflächen-Rockwell-Härte von 93, wobei eine Stahlprüfkugel von 12,5 mm (1/2 Zoll) und eine Last von 15 kg verwendet wurden. Schleifversuche ergaben, daß das Material eine gute Abschleifbarkeit hat. Das Material hatte eine offene Porösität von etwa 30 %. 85% H PO ^ and up to 2 g of distilled water are added to form a pourable paste that can be poured into a 4.91 x 2.45 x 0.58 cm mold. The paste was heated at 100 ° C for 4 hours in an electric muffle furnace until the paste was set to become free-standing. It was further heated at 150 0 C for an additional two hours until it was dry and further cured at 600 ° C for 4 hours. The material had a surface Rockwell hardness of 93 using a 12.5 mm (1/2 inch) steel test ball and a load of 15 kg. Grinding tests showed that the material is easy to grind. The material had an open porosity of about 30 %.
Von dem Stab wurde dann ein Prüfling mit einem Diamantrad abgeschnitten und die Integrität des Prüflinges wurde aufrechterhalten, wenn es wiederholt bis nahe zur Weißglut in einer Säuerstoff-Me^thanflamme erhitzt und sofort in kaltes Wasser eingetaucht wurde. Somit hatte das Material eine exellente thermische Schockbeständigkeit.A test specimen was then cut from the rod with a diamond wheel and the integrity of the specimen was maintained when repeated to near incandescent in one Heated the oxygen-methane flame and immediately put it in cold water was immersed. Thus, the material had excellent thermal shock resistance.
In einen Kunststoffbehälter wurden 20 g von Zirkoniumoxid mit einer Größe der Teilchen,die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,045 mm (-325 mesh) hindurchfielen, stabilisiert mit 12 % YpO, und 3 E ^-SiC-Whisker gegeben. Das Material wurde trocken intensiv gemischt, und dieser Mischung wurden 10 g -Lösung zugegeben. Das Material wurde in eine GießPO^) In a plastic container, 20 g of zirconia having a particle size that passed through a sieve with a mesh size of 0.045 mm (-325 mesh) stabilized with 12 % YpO, and 3 E ^ -SiC whiskers were placed. The material was mixed intensively dry and 10 g of solution were added to this mixture. The material was poured into a PO ^)
form mit den Abmessungen 5,32 χ 2,53 x 0,63 cm gepackt, die für 12 Stunden bei 800C, 2 Stunden bei 100°C und 2 Stunden bei 1200C erhitzt wurde, bis es vollständig angezogen hatte bzw. stand. Eine zusätzliche Erwärmung für 2 Stunden bei 2000C und 6 Stunden bei 6000C vervollständigte die Wärmebehandlung. Das ausgehärtete Material hatte eine Dichte von 2,74 g/cnr und eine gute Feststofferosionsbeständigkeit. form with the dimensions 5.32 χ 2.53 x 0.63 cm, which was heated for 12 hours at 80 0 C, 2 hours at 100 ° C and 2 hours at 120 0 C until it had completely tightened or was standing. Additional heating for 2 hours at 200 ° C. and 6 hours at 600 ° C. completed the heat treatment. The cured material had a density of 2.74 g / cm3 and good solid-state erosion resistance.
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Beispiele 3 ~ 5Examples 3 ~ 5
In einem aus Kunststoff bestehenden Tiegel wurden 20 g Oxid oder Hydroxid von Thorium, Hafnium oder Zer mit einer Größe der Teilchen, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,0^5 mm (-325 mesh) hindurchfielen, und 3 g »x -SiC-Whisker gegeben. Die Materialien wurden trocken intensiv gemischt, um eine homogene Mischung zu bilden, und dieser Mischung wurden 8 g Phosphorsäure oder 10 g A1(H„PO.) · zugesetzt. Die Materialien wurden weiter gemischt, um eine Paste oder eine gießbare Mischung zu bilden, und in die gewünschte Form oder den Mantelblock für die Triebwerksturbine gegossen. Eine Wärmebehandlung von H - 25 Stunden bei einer Temperatur von 80 - 1200C bewirkte ein Abbinden bzw. ein Einstelle^und eine weitere graduelle Erwärmung auf 6000C bewirkte ein endgültiges Aushärten. Die Endmaterialien hatten im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie. die in den Beispielen 1 und 2 beschriebenen Materialien, aber die thermischen Ausdehnungskoffizienten sind ähnlich dem Ausdehnungskoeffizienten des verwendeten hochwarmfesten Oxids.In a crucible made of plastic, 20 g of oxide or hydroxide of thorium, hafnium or cerium with the size of the particles that fell through a sieve with a mesh size of 0.0 ^ 5 mm (-325 mesh), and 3 g » x SiC whiskers. The materials were intensively dry mixed to form a homogeneous mixture, and 8 g of phosphoric acid or 10 g of A1 (H "PO.)" Was added to this mixture. The materials were further mixed to form a paste or pourable mixture and poured into the desired shape or shroud block for the engine turbine. A heat treatment of H - 25 hours at a temperature of 80 - 120 0 C caused a setting or a setting ^ and a further gradual heating to 600 0 C caused a final hardening. The final materials had essentially the same properties as. the materials described in Examples 1 and 2, but the coefficients of thermal expansion are similar to the coefficient of expansion of the high- temperature resistant oxide used.
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